(57)【要約】【課題】キャニング時の圧力に対する耐性に優れ、かつ耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体を提供する。【解決手段】軸方向に伸び、軸方向に垂直な断面が多角形であるセル３を複数形成するように配置された複数の隔壁２と、複数の隔壁２を囲む外周壁４とを備えるハニカム構造体１を提供する。このハニカム構造体１は、隔壁厚さの平均（ＴP）が０．０３８〜０．１７ｍｍであり、外周壁厚さの平均（ＴS）が、ＴP＜ＴS≦０．７ｍｍ、の関係を満たし、外周壁４の外面４０が、軸方向に垂直な断面において凹凸を示す凹凸構造を有し、凸部の頂点７が、当接部５の外面４１、及び当接部近傍９の外面４２の何れかに位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に伸び、軸方向に垂直な断面が多角形であるセルを複数形成するように配置された複数の隔壁と、前記複数の隔壁を囲む外周壁とを備えるハニカム構造体であって、
前記隔壁厚さの平均（ＴP）が０．０３８〜０．１７ｍｍであり、
前記外周壁厚さの平均（ＴS）が、ＴP＜ＴS≦０．７ｍｍ、の関係を満たし、
前記外周壁の外面が、前記軸方向に垂直な断面において凹凸を示す凹凸構造を有し、凸部の頂点が、前記隔壁が前記外周壁に当接している外周壁部分（当接部）の外面、及び前記当接部の両側ＴPの幅の外周壁部分（当接部近傍）の外面、の何れかに位置するハニカム構造体。
【請求項２】
凹部の底点が、前記一の当接部とその隣りの当接部との間の外周壁部分（中間部）の外面に位置する請求項１に記載のハニカム構造体。
【請求項３】
前記断面において、一の凸部の頂点からその隣りの凸部の頂点までの凹凸ピッチ（Ｐ）と、一の隔壁からその隣りの隔壁までの平均のセルピッチ（Ｃｐ）が、０．８Ｃｐ＜Ｐ＜２．２Ｃｐ、の関係を満たす凹凸構造を有する請求項１又は２に記載のハニカム構造体。
【請求項４】
前記断面において、一の凸部の頂点とその隣りの凹部の底点との高低差（ｈ）が、１５μｍ＜ｈ＜ＴS、の関係を満たす凹凸構造を有する請求項１〜３の何れかに記載のハニカム構造体。
【請求項５】
前記外周壁の外面の、前記断面における長さの１０％以上の部分が凹凸構造である請求項３又は４に記載のハニカム構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハニカム構造体に関する。特に、自動車エンジン等の内燃機関の排ガス浄化用触媒コンバーターにおける触媒担体等として好適に用いることができるハニカム構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハニカム構造体は、フィルター、触媒担体などに広く用いられており、特に自動車エンジン等の内燃機関の排ガス浄化用触媒コンバーターにおける触媒担体、ディーゼルエンジンの排ガス浄化用フィルター等として多く用いられている。
【０００３】
この様な用途においては、ハニカム構造体を金属製の缶体などに把持材を介して把持して使用される場合があるが、使用の際に缶体とハニカム構造体のずれが起こらないよう一定の強度で把持する必要があり、これに耐えるため、アイソスタティック強度が要求される。また、この様な用途においては、ハニカム構造体の加熱・冷却が頻繁に繰り返されるため、耐熱衝撃性も要求される。
【０００４】
一方、ハニカム構造体が自動車などの排ガス浄化用触媒コンバーターにおける触媒担体などに用いられる場合、環境問題への配慮から、排ガス規制が年々強化される傾向にあり、これに対応すべく排ガス浄化触媒には浄化性能の向上が求められている。他方、エンジン開発の面からは、低燃費、高出力化の指向が顕著に示されており、このような状況に対応すべく、排ガス浄化触媒には圧力損失の低減も求められている。
【０００５】
そこで、そうした問題を解決するために、ハニカム構造体は、その隔壁や外周壁の厚さをいっそう薄くすることで、通気性を高めて圧力損失を低減しつつ、しかも排ガス浄化触媒を軽量化して熱容量を低減し、暖機時の浄化性能を向上させる動きが強まっている。
【０００６】
隔壁の薄肉化に伴うハニカム構造体の強度低下を解決する手段としては、ハニカム担体の横断面中心方向ヘ隔壁厚さを規則的に薄くした構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、外周部のセル隔壁を内部のセル隔壁よりも厚くした構造が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。更に、ハンドリング時のふち欠け防止を目的として、隔壁平均厚さが０．０５〜０．１３ｍｍ、外周壁平均厚さが隔壁平均厚さよりも大であり、隔壁と外周壁の平均接触幅Ｗとの関係が、Ｗ＞Ｔ、かつ、０．７≧Ｗ≧−（Ｔ／４）＋０．１８であるセラミック製ハニカム構造体が提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、六角セルハニカム構造体の外周面に補強材料を被覆したハニカム構造体が開示されている（例えば特許文献５の図２参照）。しかし、これらのハニカム構造体は、キャニング特性と耐熱衝撃性とを同時に満足するものではなかった。
【特許文献１】特公昭５４−１１０１８９号公報
【特許文献２】特開昭５４−１５０４０６号公報
【特許文献３】特開昭５５−１４７１５４号公報
【特許文献４】再公表特許ＷＯ９８／０５６０２号公報
【特許文献５】特開昭５０−７７２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、キャニング時の圧力に対する耐性に優れ、かつ耐熱衝撃性に優れたハニカム構造体を提供することを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、軸方向に伸び、軸方向に垂直な断面が多角形であるセルを複数形成するように配置された複数の隔壁と、前記複数の隔壁を囲む外周壁とを備えるハニカム構造体であって、前記隔壁厚さの平均（ＴP）が０．０３８〜０．１７ｍｍであり、前記外周壁厚さの平均（ＴS）が、ＴP＜ＴS≦０．７ｍｍ、の関係を満たし、前記外周壁の外面が、前記軸方向に垂直な断面において凹凸を示す凹凸構造を有し、凸部の頂点が、前記隔壁が前記外周壁に当接している外周壁部分（当接部）の外面、及び前記当接部の両側ＴPの幅の外周壁部分（当接部近傍）の外面、の何れかに位置するハニカム構造体を提供するものである。
【０００９】
本発明において、凹部の底点が、前記一の当接部とその隣りの当接部との間の外周壁部分（中間部）の外面に位置することが好ましい。また、前記断面において、一の凸部の頂点からその隣りの凸部の頂点までの凹凸ピッチ（Ｐ）と、一の隔壁からその隣りの隔壁までの平均のセルピッチ（Ｃｐ）が、０．８Ｃｐ＜Ｐ＜２．２Ｃｐ、の関係を満たす凹凸構造を有することが好ましい。また、前記断面において、一の凸部の頂点とその隣りの凹部の底点との高低差（ｈ）が、１５μｍ＜ｈ＜ＴS、の関係を満たす凹凸構造を有することが好ましい。更に、前記外周壁の外面の、前記断面における長さの１０％以上の部分が凹凸構造であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
隔壁の厚さと外周壁の厚さの差を小さくすることにより、耐熱衝撃性を向上させることができ、外周壁の外面に凹凸構造を形成し、更に凸部を当接部及びその近傍に対応する外面に配置することによりキャニング特性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明するが本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。なお、以下において、特に断りのない限り、ハニカム構造体の断面とは、軸方向に垂直な断面を意味する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明に係るハニカム構造体の一実施形態を示す模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は、その模式的な一部拡大断面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示すハニカム構造体１は、軸方向に伸び、断面が四角形であるセル３を複数形成するように配置された複数の隔壁２と、複数の隔壁２を囲む外周壁４とを備える。このハニカム構造体１は、更に、隔壁２の厚さの平均（ＴP）が、０．０３８〜０．１７ｍｍの範囲内であり、外周壁４の厚さの平均（ＴS）が、ＴPよりも大きく、かつ０．７ｍｍ以下である。更に、外周壁４の外面４０が、断面において凹凸を示す凹凸構造を有し、隔壁２が外周壁４に当接している外周壁部分（当接部）５の外面４１、及び当接部５の両側ＴPの幅の外周壁部分（当接部近傍）９の外面４２の何れかに凸部の頂点７が位置する。
【００１３】
図１０に従来のハニカム構造体の断面の一部を示す。図１０に示す従来のハニカム構造体をキャニングした際に外周壁４の外側から圧力が加わると、外周壁４に垂直な荷重が均等に加わる。そして、この圧力に耐えうる強度とするために、外周壁４の厚さを厚くする必要がある。しかし、隔壁４の厚さを厚くすると、隔壁２と外周壁４との厚さの差が大きくなるため、両者の熱容量の差も大きくなる。従って、加熱・冷却の過程での両者の温度差が大きくなるため、大きな熱応力が発生し、耐熱衝撃性が低下する。
【００１４】
一方、図１（ａ）、（ｂ）に示すハニカム構造体１は、外周壁４の外面４０が凹凸構造を有し、更に凸部の頂点７が、当接部５の外面４１及び当接部近傍９の外面４２の何れか（即ち、図１（ｂ）におけるＷの範囲内）に位置する。従って、このハニカム構造体１をキャニングした際に外周壁４の外側から圧力が加わると、この圧力は図２に示すように、外周壁４の外面４０に垂直にかかるため、強度の高い当接部５及び当接部近傍９に応力を集中させることができる。従って、外周壁の厚さを制限しても、良好なアイソスタティック強度を得ることができる。なお、特許文献５の図２には、外周に凹凸のあるハニカム構造体が示されているが、この形状は隔壁が外周壁に当接する部分に凹部があり、本発明とは、逆の構造となっている。従ってこの形状では強度の高い当接部に応力を集中させることができず上述のような効果を得ることはできない。
【００１５】
また、ハニカム構造体をキャニングする際、一般にハニカム構造体をマットで巻いてから缶体に入れることにより、ハニカム構造体を缶体に把持させる。この際のマットの圧縮度合い、即ちＧＢＤ（Ｇａｐ  Ｂｕｌｋ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）とハニカム構造体にかかる面圧との関係の一例を図３に示す。図３に示すように、面圧はマットの圧縮度合いの増加に伴い３次関数に従って増加する。従って、マットが高圧縮状態においては、小さな圧縮度合いの差も面圧に大きな影響を与える。なお、ＧＢＤは、キャニング後のマットの嵩密度を表し、次式により求められる。
ＧＢＤ（ｇ／ｃｍ3）＝マットの基準重量（ｇ／ｃｍ2）／ハニカム構造体と缶体との隙間（ｃｍ）
【００１６】
従って、図４に示すように、強度の高い当接部５及び当接部近傍９の外面に配置されるマット１０の圧縮度合いを大きくすることにより、当接部５及び当接部近傍９にかかる圧力そのものをその他の部分よりも大きくすることができ、十分な把持力を維持しつつも過度の圧力によるハニカム構造体の破損を抑制することができる。このようなキャニング時の破損を更に抑制する観点からは、凸部の頂点７は、当接部５の外面４１に位置することが更に好ましい。
【００１７】
更に、このような凹凸構造を有することにより、実使用中の振動などによるハニカム構造体の缶体内での回転方向のずれを抑制することができる。近年、ハニカム構造体に溝又は穴を設け、そこにセンサーを挿入するケースが増えてきており、ハニカム構造体が回転方向のずれを起こすとハニカム構造体とセンサーとが接触するという問題が生じる。図４に示す凹凸構造を有する断面円形のハニカム構造体は、通常の断面円形のハニカム構造体に比べてこのずれを抑制できるという効果も有する。なお、このようなハニカム構造体の回転方向のずれの問題及びずれを抑制する構造は、例えば実開昭５３−１５２０１２号公報及び特開平２−４０２３９号公報に開示されている。
【００１８】
本発明において、図５に示すように、一の当接部５1とその隣りの当接部５2との間の外周壁部分（中間部）８の外面に凹部の底点６が位置することが好ましい。このような構成により、より強度の低い中間部８に対応する部分のマットの圧縮度合いを小さくすることができ、キャニング時のハニカム構造体の破壊を更に効果的に抑制することができる。
【００１９】
なお、凸部の頂点７1、７2とは、例えば図５に示すように、ハニカム構造体の断面において、外周壁４の外面４０、即ちハニカム構造体の断面における輪郭が、ハニカム構造体の径方向に極大を示す点を意味し、凹部の底点６は、同様に極小を示す点を意味する。
【００２０】
更に、図５に示すように、一の凸部の頂点７1からその隣りの凸部の頂点７2までの凹凸ピッチ（Ｐ）と一の隔壁２1からその隣りの隔壁２2までのセルピッチ（Ｃｐ1-2）の平均（Ｃｐ）が、０．８Ｃｐ＜Ｐ＜２．２Ｃｐ、の関係を満たすことが好ましい。このような関係を満たすことにより、複数の凸部の頂点７1、７2を各々当接部の外面４１及び当接部近傍の外面４２に配置することができ、本発明の効果をより大きくすることができる。
【００２１】
更に、ハニカム構造体の断面において、外周壁の外面の長さの１０％以上の部分が、このような凹凸ピッチの凹凸構造をであることが好ましく、更には１５％以上、特に２０％以上の部分がこのような構造であることが更に好ましい。
【００２２】
また、図６に示す、一の凸部の頂点７1とその隣りの凹部の底点６1との高低差（ｈ）に特に制限はない。しかし、ｈが小さすぎるとキャニング特性向上の効果が小さくなりすぎ好ましくない。従ってｈは１５μｍより大きいことが好ましく、２５μｍより大きいことが更に好ましい。一方、ｈが大きすぎると、凹部の断面係数が小さくなることにより凹部の最大曲げ応力が増加するため好ましくない。従って、ｈは外周壁の厚さの平均（ＴS）よりも小さいことが好ましく、ＴSの７０％よりも小さいことが更に好ましい。
【００２３】
図７に凹凸構造の別の形態を示す。ハニカム構造体のセル構造や外周部の位置によっては、図７に示すように、隔壁２が外周壁４に斜めに当接する場合がある。このような場合であっても、ハニカム構造体が図７に示すような凹凸構造を有することにより、耐熱衝撃性の向上及びキャニング特性の向上を図ることができる。また、２つ以上の隔壁が一箇所で外周壁に当接する場合や、一部重なって当接する場合や近接した箇所に当接する場合もある。このような場合であっても、当接部５は、隔壁２が外周壁４に当接している外周壁の部分であり、当接部近傍９は当接部５の両側ＴPの幅の部分を意味し、Ｗの範囲内に凸部の頂点７が位置すればよい。
【００２４】
図８及び図９に凹凸構造の更に別の形態を示す。図８に示すように、外周壁４が、ほぼ一定の厚さを保ちながら凹凸構造を形成する形態も好ましい。また、図９に示すように、当接部５における隔壁２が肉盛りされた形状を有することも好ましい。このような形態においても、凸部の頂点７が図９におけるＷの範囲内に位置すればよい。
【００２５】
ハニカム構造体におけるセルの断面形状は、多角形であればその他の制限はないが、正方形、長方形、三角形又は六角形であることが好ましく、特に正方形又は六角形が好ましい。また、セル３の断面形状は総て同形状でなくてもよく、１つのハニカム構造体中に異なる形状が２以上存在してもよい。隔壁厚さの平均（ＴP）は、圧力損失及び熱容量を小さくする観点から、０．０３８〜０．１７ｍｍであることが必要であるが、０．０３８〜０．１０ｍｍであることが更に好ましく、０．０３８〜０．０９２ｍｍであることが特に好ましい。また、外周壁の厚さの平均（ＴS）は、耐熱衝撃性向上の観点から０．７ｍｍ以下であることが必要であるが、０．６ｍｍ以下であることが更に好ましく、０．５ｍｍ以下であることが特に好ましい。また、あまり薄すぎると、上述のような構造でも強度が低くなりすぎるため、隔壁厚さの平均（ＴP）よりも厚いことが必要であり、ＴPの１．３倍以上であることが更に好ましく、１．５倍以上であることが特に好ましい。
【００２６】
セル密度には特に制限はないが、例えば１５〜２３３セル／ｃｍ2（１００〜１５００セル／平方インチ）の範囲のセル密度であることが、触媒担体としては好ましい。ハニカム構造体の断面形状としては、例えば、円、楕円、長円（レーストラック形）や多角形等あらゆる形状を採ることができるが、円、楕円、長円、が好ましく、特に回転方向のずれを抑制できる点から円形のハニカム構造体に本発明を適用することが好ましい。
【００２７】
本発明のハニカム構造体の材質に特に制限はないが、例えば、コージェライト、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素、窒化珪素、リチウムアルミニウムシリケート、アルミニウムチタネート、ジルコニア及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる１種又は２種以上のセラミックスを材質とすることが好ましい。ここで、炭化珪素には、金属珪素と炭化珪素とからなるものも含まれる。この中で特にコージェライトは熱膨張係数が小さく、自動車エンジンの排ガス浄化用ハニカム構造体の材質として好適に用いられるため本発明においても特に好ましい。
【００２８】
本発明のハニカム構造体を、排ガス浄化用に使用する場合には、排ガス中に含まれる窒素酸化物、炭化水素、あるいは一酸化炭素といった有害成分の浄化を促進する触媒を含むことが好ましい。触媒としては、例えば、窒素酸化物を酸化するための酸化触媒、窒素酸化物の酸化と炭化水素や一酸化炭素の還元を同時に行う三元触媒の他、窒素酸化物（ＮＯＸ）吸蔵触媒等が挙げられる。より具体的には、酸化触媒としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属が、三元触媒としては、白金とロジウムの混合物やパラジウムとロジウムの混合物が、窒素酸化物吸蔵触媒としては、アルカリ金属（リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、セシウム（Ｃｓ）等）やアルカリ土類金属（カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）等）が好適に用いられる。また、上記の排ガス浄化触媒以外の成分、例えば、セリウム（Ｃｅ）やジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物に代表される助触媒、炭化水素吸着材等を含んでもよい。これらの触媒や助触媒などを隔壁に担持させることが好ましい。
【００２９】
本発明のハニカム構造体は、特に自動車などの内燃機関の排ガス浄化用に用いることが好ましいが、各種フィルターや触媒担体などの各種用途に用いることもできる。また、本発明のハニカム構造体は、缶体にキャニングにより組み込んで、ハニカム構造コンバーターとして使用することができる。この場合における具体的なキャニング法としてはスタッフィング法、ターニキット法、あるいはクラムシェル法等が好適である。
【００３０】
本発明のハニカム構造体の製造方法に特に制限はないが、例えば上記のような材質の粉体にバインダー等を混合し、射出成形、押出成形などによって一定形状に成形した後、乾燥、焼成することにより製造することができる。この中でも押出成形により成形することが好適である。このような成形時に、所定の隔壁厚さ、外周壁厚さ及び凹凸構造を付与できるような金型又は口金を用いて成形することにより、本発明のハニカム構造体を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
以上説明してきたように、本発明のハニカム構造体は、耐熱衝撃性及びキャニング特性に優れ、自動車エンジン等の内燃機関の排ガス浄化用触媒コンバーターにおける触媒担体等として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（ａ）は本発明のハニカム構造体の一実施形態を示す模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は、その模式的な一部拡大断面図である。
【図２】本発明のハニカム構造体の別の実施形態を示す模式的な一部拡大断面図である。
【図３】マットの圧縮特性を示すグラフである。
【図４】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大断面図である。
【図５】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大断面図である。
【図６】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大断面図である。
【図７】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大図である。
【図８】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大図である。
【図９】本発明のハニカム構造体の更に別の実施形態を示す模式的な一部拡大図である。
【図１０】従来のハニカム構造体の形態を示す模式的な一部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…ハニカム構造体、２、２1、２2…隔壁、３…セル、４…外周壁、５、５1、５2…当接部、６、６1…凹部の底点、７、７1、７2…凸部の頂点、８…中間部、９…当接部近傍、１０…マット、４０…外周壁の外面、４１…当接部の外面、４２…当接部近傍の外面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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